仿生陶瓷设计

• 1、微观结构和受力行为 、 • 基体Si3N4片层的厚度约为 片层的厚度约为80~100微米，BN界面 微米， 界面 基体 微米 层的厚度约为10~20微米。 微米。 层的厚度约为 微米 • 由于其结构特征，层状结构的陶瓷材料的断裂功 由于其结构特征， 比常规的块体材料高出几十至上百倍， 比常规的块体材料高出几十至上百倍，而且材料 在失效前的变形量也大大高于块体材料。 在失效前的变形量也大大高于块体材料。从而可 能从根本上改变陶瓷的脆性破坏特征。 能从根本上改变陶瓷的脆性破坏特征。这种层状 结构可以提高陶瓷材料的断裂功， 结构可以提高陶瓷材料的断裂功，增大裂纹扩展 的阻力，从而提高材料的韧性。 的阻力，从而提高材料的韧性。
• 3、界面结合强度的调节 、 • 在Si3N4/BN层状复合材料中，弱界面层是该材料 层状复合材料中， 层状复合材料中 具有独特破坏行为和高断裂功的主要原因，界面 具有独特破坏行为和高断裂功的主要原因， 层性质将直接导致材料整体性能的变化， 层性质将直接导致材料整体性能的变化，界面层 的结合强度必须始终，如果界面结合太弱， 的结合强度必须始终，如果界面结合太弱，则裂 纹在界面层中扩展消耗的能量较小，断裂功较小； 纹在界面层中扩展消耗的能量较小，断裂功较小； 如果界面结合太强， 如果界面结合太强，则整个材料类似于脆性块体 材料，表现为脆性断裂。而在界面层BN中添加 材料，表现为脆性断裂。而在界面层 中添加 等界面层调节剂， Al2O3、 Si3N4等界面层调节剂，进一步优化了 Si3N4/BN层状复合材料的性能。 层状复合材料的性能。 层状复合材料的性能
二、仿生陶瓷构想
自然界中贝壳珍珠层的组成中虽然近95%是普通陶瓷 是普通陶瓷 自然界中贝壳珍珠层的组成中虽然近 CaCO3，但其综合力学性能优异，特别是断裂韧性，比单 但其综合力学性能优异，特别是断裂韧性， 陶瓷高2-3个数量级 个数量级。 相CaCO3陶瓷高 个数量级。这说明贝壳珍珠层所具有 的优异力学性能与其独特的生物结构有密切关系。 的优异力学性能与其独特的生物结构有密切关系。矿物学 研究表明，贝壳珍珠层是由文石、 研究表明，贝壳珍珠层是由文石、晶片形成增强相的层状 复合材料，占总质量的1%~5%的有机质填充于无机相之 复合材料，占总质量的 的有机质填充于无机相之 层与层间的有机质具有三明治式夹心结构， 间。层与层间的有机质具有三明治式夹心结构，外夹憎水 的丝心蛋白质和亲水的酸性蛋白质。 的丝心蛋白质和亲水的酸性蛋白质。这种文石晶体与有机 基质交替叠层的排列方式是抗脆断的关键所在， 基质交替叠层的排列方式是抗脆断的关键所在，由于有机 基质层强度相对较弱，易于诱导裂纹在其中偏转， 基质层强度相对较弱，易于诱导裂纹在其中偏转，从而阻 止了裂纹的穿透扩展。因此， 止了裂纹的穿透扩展。因此，可以把珍珠层的结构抽象为 软硬相交替的多层增韧结构， 软硬相交替的多层增韧结构，正是这种结构组合赋予了贝 壳珍珠层极佳的断裂韧性。 壳珍珠层极佳的断裂韧性。
陶瓷材料的脆性和增韧问题一直是研究的热 陶瓷材料的脆性和增韧问题一直是研究的热 脆性和增韧问题 点之一， 点之一，也是陶瓷材料得到广泛应用的关键问题 之一。近二十年来， 之一。近二十年来，人们相继提出了长纤维或晶 须增韧补强、颗粒弥散强化、 须增韧补强、颗粒弥散强化、相变增韧等多种强 韧化措施，也取得了很多积极的研究成果。但是， 韧化措施，也取得了很多积极的研究成果。但是， 这些强韧化措施的增韧效果还很有限， 这些强韧化措施的增韧效果还很有限，还没有从 本质上解决陶瓷材料的脆性问题。 本质上解决陶瓷材料的脆性问题。 近些年来， 近些年来，人们从天然生物的研究中达到启 天然的生物材料，如竹、 骨骼、贝壳等， 示，天然的生物材料，如竹、木、骨骼、贝壳等， 它们虽然具有简单的组成， 它们虽然具有简单的组成，但是通过复杂结构的 精细组合， 精细组合，赋予这些生物材料具有非常好的综合 性能。因此，在材料的设计和研究中， 性能。因此，在材料的设计和研究中，引入了仿 生结构设计的思想，通过“简单组成、复杂结构” 生结构设计的思想，通过“简单组成、复杂结构” 的精细组合，来实现材料的高韧性、 的精细组合，来实现材料的高韧性、抗破坏及使 用可靠性特性。陶瓷材料的仿生结构设计， 用可靠性特性。陶瓷材料的仿生结构设计，从很 大程度上改善了陶瓷材料的脆性本质， 大程度上改善了陶瓷材料的脆性本质，为陶瓷材 料的强韧化提供了一条崭新的研究和设计思路。 料的强韧化提供了一条崭新的研究和设计思路。
总结
• 仿生结构是陶瓷材料获得高韧性的一个有 效的途径。 效的途径。仿生结构设计的主要思想是仿 照天然生物材料的结构特征， 照天然生物材料的结构特征，通过结构的 模拟和精细的组合，获得高韧性和断裂工。 模拟和精细的组合，获得高韧性和断裂工。 • 不过仿生陶瓷与生物材料相比，结构设计 不过仿生陶瓷与生物材料相比， 还不够精细， 还不够精细，基本上还是简单的平行层结 在设计过程中还有很多问题有待解决。 构，在设计过程中还有很多问题有待解决。
• 2、结构单元的强化，晶须和晶种的增韧作 、结构单元的强化， 用 • 弱界面的引入虽然可以大幅度的提高复合 材料的表观断裂韧性， 材料的表观断裂韧性，但是韧性的提高是 以降低强度为代价的， 以降低强度为代价的，而层状材料的承载 能力主要受陶瓷基体层影响，为此， 能力主要受陶瓷基体层影响，为此，在集 中加入SiC晶须和晶种来强化基体， 晶须和晶种来强化基体， 体Si3N4中加入 晶须和晶种来强化基体 从而提高复合材料的强度和增韧效果。 从而提高复合材料的强度和增韧效果。
三、仿生结构设计思路
• 1、简单组成、复杂结构； 、简单组成、复杂结构； • 2、引入弱界面层，使得裂纹在弱界面层中 、引入弱界面层， 反复偏折，消耗大量的断裂能； 反复偏折，消耗大量的断裂能； • 3、非均质设计、精细结构。 、非均质设计、精细结构。
四、仿生结构材料设计要点
• 1、材料体系的选择和优化 、 • 基体和界面层的选择要考虑到基体和界面层本身 的性质、二者之间的物理、化学相容性， 的性质、二者之间的物理、化学相容性，性能匹 配性等。 配性等。 • 2、制备方法和工艺参数的确定 、 • 根据仿生结构陶瓷的结构特点，选择合适的制备 根据仿生结构陶瓷的结构特点， 工艺，优化工艺参数， 工艺，优化工艺参数，如纤维独石结构陶瓷可采 用挤制成型的方法成型基体纤维， 用挤制成型的方法成型基体纤维，而层状结构陶 瓷可采用轧膜成型制备基体陶瓷片层， 瓷可采用轧膜成型制备基体陶瓷片层，界面层的 涂覆工艺、 涂覆工艺、排胶和烧结工艺都根据具体材料体系 的不同而定。 的不同而定。
五、层状结构Si3N4/BN陶瓷的制备 工艺
• 制备工艺主要包括基体片层的成型、界面层的涂覆、片层 制备工艺主要包括基体片层的成型、界面层的涂覆、 的排布、烧结等， 的排布、烧结等，每个环节对最终材料的性能均有较大的 影响，因而要对工艺参数进行优化设计。 影响，因而要对工艺参数进行优化设计。
六、层状结构Si3N4/BN陶瓷材料的 力学性能及影响因素
• 4、几何参数的影响 、 • 层数 随着层数的增加， 随着层数的增加，强度和断裂功先 逐渐减小，但当层数大于等于20时 逐渐减小，但当层数大于等于 时，二者 又基本上保持不变或变化很小， 又基本上保持不变或变化很小，说明层数 选择为20层比较合适 层比较合适。 选择为 层比较合适。 • 层厚比 实验表明，随着层厚比德增加，抗 实验表明，随着层厚比德增加， 穹强度和断裂功均明显增加， 穹强度和断裂功均明显增加，当层厚比达 到10时，二者达到最大值，之后二者变化 时 二者达到最大值， 不大，因此，层厚比选择在10左右 左右。 不大，因此，层厚比选择在 左右。
一些实验室开展了陶瓷材料增韧结构设计， 一些实验室开展了陶瓷材料增韧结构设计， 借鉴贝壳珍珠层构造，改变以往复杂成分、 借鉴贝壳珍珠层构造，改变以往复杂成分、简单 结构的陶瓷材料传统设计思想，采用简单组成、 结构的陶瓷材料传统设计思想，采用简单组成、 复杂结构并引入弱界面层， 复杂结构并引入弱界面层，使得裂纹在弱界面层 中反复偏折， 中反复偏折，消耗大量的断裂能从而达到增韧效 果。 还有一些实验室制备了Si 还有一些实验室制备了 3N4/BN仿珍珠层陶 仿珍珠层陶 其中BN作为弱界面层 作为弱界面层， 瓷，其中 作为弱界面层，该仿生材料断裂功高 出常规热压Si 块体陶瓷约100倍，止裂能力优 出常规热压 3N4块体陶瓷约 倍 异。 以上研究表明，陶瓷材料的这种仿生结构设 以上研究表明， 计为陶瓷材料的强韧化提供了一条崭新的研究和 设计思路。下面以Si 设计思路。下面以 3N4/BN层状陶瓷材料为例做 层状陶瓷材料为例做 简介。 简介。
七、仿生结构陶瓷材料的增韧机制
• Si3N4/BN层状陶瓷独特的结构特征决定了 层状陶瓷独特的结构特征决定了 其具有独特的增韧机制。 其具有独特的增韧机制。在Si3N4/BN层状 层状 陶瓷中，存在着不同尺度的多级增韧机制： 陶瓷中，存在着不同尺度的多级增韧机制： 弱界面层对裂纹的偏折、 弱界面层对裂纹的偏折、尾流区中基体片 层中的桥接和摩擦滑动等一级增韧机制； 层中的桥接和摩擦滑动等一级增韧机制； 基体层片中晶须的拔出和桥接等二级增韧 机制； 机制；以及基体层片中长柱状晶粒的三级 增韧机制等。其中BN弱界面层对裂纹的偏 增韧机制等。其中 弱界面层对裂纹的偏 折是该材料具有高韧性和断裂功的主要原 因。
• 3、结构参数 、 • 基体和界面层的强度、弹性模量、热膨胀系数、 基体和界面层的强度、弹性模量、热膨胀系数、 界面结合状态等对仿生结构陶瓷的力学性能有着 明显的影响， 明显的影响，如其强度主要是由陶瓷基体层的强 度决定， 度决定，而高韧性主要是界面层对裂纹的偏折决 因而与界面的基本性质有关。 定，因而与界面的基本性质有关。 • 4、几何参数 4、 • 仿生结构陶瓷主要由结构单元和界面层组成，二 仿生结构陶瓷主要由结构单元和界面层组成， 者的几何尺寸也明显地影响了力学性能。 者的几何尺寸也明显地影响了力学性能。几何参 数主要包括结构单元尺寸、结构单元排列方式、 数主要包括结构单元尺寸、结构单元排列方式、 层数、层厚比等。 层数、层厚比等。 • 要想得到高性能的仿生结构陶瓷，必须对以上几 要想得到高性能的仿生结构陶瓷， 种影响因素进行优化设计。 种影响因素进行优化设计。